固体氧化物电解质的合成及电学性质的研究

世界能源短缺和环境污染问题日趋严重，因此需要发展能源转换效率高、对环境污染低并便于应用的绿色能源技术。固态氧化物燃料电池（SOFC，Solid Oxide Fuel Cell）因其效率高、对环境友好等优点被认为是二十一世纪最有前景的能源技术。SOFC的关键是固体电解质的研究。目前广泛使用的固体电解质8YSZ（8mol%Y2O3稳定化的ZrO2）仅在1000oC以上有高的电导率。所以，探索新的、在中温区具有高离子电导率的电解质材料具有重要的意义。另外，也可以采用新的方法改善固体氧化物电解质的导电性，比如掺杂、将材料纳米化等。 在本论文中，通过共沉淀法合成了La2Mo2O9化合物，并与溶胶凝胶法合成的样品进行比较，在同样的烧结条件下，共沉淀法合成的La2Mo2O9化合物具有更高的致密度，而且由于很少引入杂质，电导率得到明显提高，在800oC时达到0.15 S.cm-1。利用同样的方法通过对La2Mo2O9进行微量磷的掺杂，降低了材料在高温时的相转变温度，基本实现了低温电导率的提高。另外，我们还对La2Mo2O9化合物进行了高压烧结研究。实验表明，La2Mo2O9纳米粉末经过700oC高压烧结后得到了致密样品，样品保持了纳米尺度，相对密度达到99％。样品由原先单斜相的La2Mo2O9变为镧钼化合物的混合物，当其在常压下800oC退火后样品又回复到单一的La2Mo2O9相，此时样品粒径大约为50nm，通过这种方法，纳米La2Mo2O9陶瓷被制得。 通过在不同温度高压烧结的方法得到了致密的8YSZ材料。样品的相结构对电导率有很大的影响，在1450oC高压烧结10min得到了立方相与少量四方相的样品，由于具有很高的致密度，得到了相对高的低温电导率。而在1000oC高压烧结10min后的样品，其相结构转变为四方相和单斜相，电导率也相应降低。高压烧结后的样品在1650oC常压退火后，样品又回复到立方相，其电导率又相应提高。 磷灰石结构化合物由于烧结温度很高，也可以通过高压烧结的方法在低温下得到致密烧结体。本论文中，采用高压烧结的方法得到了致密的纳米La9.33Si6O26块体材料，并与常压烧结的样品进行比较，其电导率得到了提高。但是和文献报道值比较，其电导率还是相对较低。这主要是由于样品中含有少量La2SiO5杂相。提高样品的纯度将更有利于电导率的提高。 作为固体电解质的氧化铋基材料极大地吸引了人们的兴趣。本文通过溶胶凝胶法合成了Bi2Ga4O9化合物，首次研究了它的电学性质和化学稳定性。电导率随氧分压的减小而减小，表明化合物中p型电子导电的存在。在500oC时，化合物的离子迁移数小于0.50，化合物是混合导体。